Nutzung von Abwärme und anderen Energiequellen zur dezentralen Stromerzeugung

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1 Nutzung von Abwärme und anderen Energiequellen zur dezentralen Stromerzeugung F. Heberle, M. Preißinger, D. Brüggemann Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT) Universität Bayreuth Informationstag ABWÄRMENUTZUNG Bayreuth, 27. November 2009

2 Motivation Abwärme zur Stromerzeugung nutzen Abwärmeleistung größer 300 kw th kw th Abwärme nicht im Prozess nutzbar Einspeisung in ein Nah-/ Fernwärmenetz nicht möglich Quelle: Hirdes Direkte Verstromung im Industrieunternehmen Quelle: MAN Turbo

3 Thermodynamik Wasserdampfprozess: Anlagenverschaltung und T,s -Diagramm bar Temperatur [ C] , ,1 bar Entropie [kj/kgk]

4 Thermodynamik Organische Medien im Vergleich zu Wasser 500 Temperatur [ C] OMTS 200 Isopentan R152a Wasser 20 bar Entropie [kj/(kgk)] 1 bar organische Arbeitsmittel Organic Rankine Cycle nasse Medien: ds < 0 dt trockene Medien: ds > 0 dt

5 Thermodynamik ORC: Anlagenschemata und T,s -Diagramm Wärmequelle 3 Vorwärmer H 4 Verdampfer H 5 Thermalwasser Rauchgas Thermoöl Abgas/Abluft 200 Interner Rekuperator H 6 Turbine ORC - Arbeitsmittel Generator Temperatur [ C ] Pumpe 2 7 Kondensator Kühlkreislauf , Entropie [ kj/(kgk) ]

6 Organic Rankine Cycle Vorteile Keine Tröpfchenbildung im Entspannungsaggregat und an den Ventilen Einfache Bauweise und hoher innerer Wirkungsgrad der Turbine Gute Regelbarkeit ( Automatisches Start-Stop-System) Geringe Betriebs- und Wartungskosten Sehr gutes Teillastverhalten

7 Vorteile des Organic Rankine Cycles Teillastverhalten Nach Granderath. Intelligente Abwärmenutzung durch Dampferzeugung an Industrieöfen. GASWÄRME International (58) Nr. 5/2009

8 Organic Rankine Cycle Vorteile Keine Tröpfchenbildung im Entspannungsaggregat und an den Ventilen Einfache Bauweise und hoher innerer Wirkungsgrad der Turbine Gute Regelbarkeit ( Automatisches Start-Stop-System) Geringe Betriebs- und Wartungskosten Sehr gutes Teillastverhalten Optimierte Fluidauswahl je nach Prozessparameter möglich Nutzung von Wärmequellen auf niedrigem Temperaturniveau

9 Organic Rankine Cycle Wahl eines geeigneten Arbeitsmediums

10 Einsatzgebiete des Organic Rankine Cycles Gesamtübersicht Mobile Anwendungen Mini-KWK Solar Biomasse Industrielle Abwärme Geothermie Meerwasser

11 Einsatzgebiete des Organic Rankine Cycles Industrielle Abwärme spezielle Randbedingungen Spezielle Randbedingungen der Abwärmequelle: Temperaturniveau: <100 C >1000 C Industrielle Abwärme Prozessführung: kontinuierlich diskontinuierlich Wärmestrom: konstant fluktuierend individuelle Lösungen je nach Anwendungsfall nötig

12 Abwärmenutzung Anlagenbeispiel Zementwerk Lengfurt Anlagendaten: Ablufttemperatur: 275 C Volumenstrom: 150 TNm 3 /h ausgekoppelter Wärmestrom: elektrische Leistung: Arbeitsmedium: oberer Prozessdruck: Kondensationsdruck: thermischer Wirkungsgrad: 8,25 MW 1,50 MW n-pentan 19,40 bar 1,05 bar 18%

13 Abwärmenutzung Anlagenbeispiel Zementwerk Lengfurt Quelle: Ormat Inbetriebnahme: 2001 Gesamtkosten: 4 Mio Fördermittel (UBA): 1 Mio Laufzeit: 300 Tage/a

14 Abwärmenutzung Projektierungsbeispiel Glasherstellung Umrüstung auf Oxy-Fuel-Verbrennung: Abgastemperatur: 1300 C; elektrische Leistung: ca. 200 kw h/a ORC-Arbeitsmittel: Amortisationsdauer [a] OMTS 8000 h/a TES EB OMTS = Octamethyltrisiloxan TES = Tetraethylsilan EB = Ethylbenzol /kw el 4500 /kw el Investitionskosten [Tsd ]

15 Abwärmenutzung Anlagenbeispiel Nachverstromung Biogas-BHKW 300 C Gasmotor 90 C BHKW ORC

16 Abwärmenutzung Anlagenbeispiel Nachverstromung Biogas-BHKW Quelle: LTi Adaturb

17 Abwärmenutzung Stromgestehungskosten

18 Zusammenfassung T, P th T, P th Gesamtprozess 250 C 300 kw th t t Charakteristika des Prozesses (thermische Leistung, Temperaturniveau) entscheidend für die Wahl des Arbeitsfluides sowie der Anlagenverschaltung Je kontinuierlicher ein Prozess, desto effizienter der Betrieb der ORC-Anlage Optimale Einbindung der ORC-Anlage in den Gesamtprozess nötig Minimale thermische Leistung für wirtschaftlichen Betrieb nötig

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!